ТЕМА: Механіка. Основи динаміки. Рух тіл під дією однієї або кількох сил.

Завдання скеровано на перевірку знання і розуміння кінематичних характеристик руху, а також на застосування другого закону Ньютона.

Щоб забезпечити мінімальний час \(t\) переміщення \(s\) вантажу, він повинен рухатися з прискоренням \(a:\) $$ s=v_0t+\frac{at^2}{2}=\frac{at^2}{2}, $$ де \(v_0=0\) ‒ початкова швидкість руху вантажу дорівнює нулю за умовою.

Виразімо час: \begin{gather*} t=\sqrt{\frac{2s}{a}}. \end{gather*}

Щоб час був мінімальним, прискорення повинно бути максимальним. Відстань, яку тіло повинно пройти, задано в умові (вона не змінюється): $$ t_\text{min}=\sqrt{\frac{2s}{a_\text{max}}}. $$

Визначмо \(a_\text{max}.\) За другим законом Ньютона $$ ma_\text{max}=F_\text{тяги}-F_\text{тертя}, $$ де \(ma_\text{max}\) ‒ рівнодійна сил, що діють на вантаж, \(m\) ‒ маса вантажу, \(F_\text{тяги}=30\ \text{Н}\) ‒ проєкція сили, обернена до максимальної сили натягу мотузки, \(F_\text{тертя}\) ‒ ця проєкція сили, що напрямлена протилежно до напрямку руху й за модулем дорівнює силі натягу, що виникає в мотузці під час рівномірного руху.

Підставмо значення прискорення у формулу для часу й обчислімо його:

Відповідь: 10.

ТЕМА: Молекулярна фізика і термодинаміка. Властивості газів, рідин і твердих тіл. Відносна вологість повітря та вимірювання її.

Завдання скеровано на перевірку знання і розуміння поняття відносної вологості водяної пари й уміння користуватися таблицями.

Відносна вологість \(\mathbf{\varphi}\) ‒ фізична величина, яка показує, наскільки водяна пара близька до насичення. Вона дорівнює поданому у відсотках відношенню абсолютної вологості \(\mathbf{\rho}_a\) до густини насиченої водяної пари \(\mathbf{\rho}_{н.п.}\) за певної температури: $$ \mathbf{\varphi}=\frac{\mathbf{\rho}_a}{\mathbf{\rho}_{н.п.}}\cdot 100\ \text{%}. $$

Густина водяної пари прямо пропорційна її парціальному тиску \(p_a,\) тому відносну вологість повітря можна визначити зі співвідношення $$ \mathbf{\varphi}=\frac{p_a}{p_{н.п.}}\cdot 100\ \text{%}. $$

Визначмо парціальний тиск водяної пари, узявши до уваги, що згідно з умовою вдень за температури \(29\ ^\circ\mathrm{C}\) відносна вологість повітря становила \(55\ \text{%}.\) Відповідно за таблицею в умові тиск насиченої пари за такої температури становить \(p_{н.п.}=4\ \text{кПа}=4\cdot 10^3\ \text{Па}.\) Тобто

За умовою ввечері за цього ж тиску \(p_a\) почала утворюватися роса. Тобто цей тиск тепер став тиском насичення водяної пари за вечірньої температури. Визначмо її за таблицею ‒ тиску \(2,2\ \text{кПа}\) відповідає температура \(19\ ^\circ\mathrm{С}.\)

Відповідь: 19.

ТЕМА: Електродинаміка. Магнітне поле, електромагнітна індукція. Сила Ампера.

Завдання скеровано на перевірку знання і розуміння сили Ампера й уміння застосовувати другий закон Ньютона до комбінованих задач.

Магнітне поле діє на провідник зі струмом із силою Ампера. Якщо провідник прямолінійний, а магнітне поле, у якому він перебуває, однорідне, то модуль сили Ампера визначають за формулою $$ F_\text{A}=BIl\sin\mathbf{\alpha}, $$ де \(B\) ‒ магнітна індукція поля, у якому перебуває провідник; \(I\) ‒ сила струму в провіднику; \(l\) ‒ довжина активної частини провідника; \(\mathbf{\alpha}\) ‒ кут між вектором магнітної індукції і напрямком струму.

За умовою кут між лініями магнітної індукції і провідником дорівнює \(90^\circ.\) Отже, \(\sin90^\circ=0.\)

Якщо сили натягу підвісних дротів збільшилися, то сила Ампера напрямлена вертикально вниз, куди весь час була напрямлена сила тяжіння, що діє на провідник.

Запишімо в проєкціях другий закон Ньютона для провідника: $$ 2T=mg+F_A, $$ де \(T\) ‒ сила натягу одного дроту, \(m\) ‒ маса провідника, \(g\) ‒ прискорення вільного падіння.

Підставмо дані з умови і обчислимо силу натягу кожного з дротів:

Відповідь: 0,25.

ТЕМА: Коливання і хвилі. Оптика. Закони відбивання світла. Побудова зображень, які дає плоске дзеркало.

Завдання скеровано на перевірку знання і розуміння законів відбивання, а також вміння робити побудови за допомогою плоского дзеркала.

За законом відбивання промінь повинен був відбитися під таким самим кутом, що й упав. Але треба, щоб відбитий промінь відбився вертикально вгору. Це означає: якщо поділимо бісектрисою кут падіння навпіл, то ця бісектриса має бути перпендикуляром до дзеркала (див. рисунок).

За побудовою бачимо, що перпендикуляр до площини дзеркала повернутий від початкового перпендикуляра до площини падіння променя на \(15^\circ,\) отже, і площина, пов’язана з перпендикуляром, повернеться на \(15^\circ.\) Тому плоске дзеркало треба розмістити під кутом \(15^\circ\) до горизонту.

Відповідь: 15.

ТЕМА: Елементи теорії відносності. Атом та атомне ядро. Радіоактивність.

Завдання скеровано на перевірку знання і застосування основного закону радіоактивного розпаду.

Скористаймося основним законом радіоактивного розпаду: $$ N=N_0\cdot 2^{-\frac tT}, $$ де \(N\) ‒ кількість ядер радіонукліда, що залишились у зразку через час \(t;\) \(N_0\) ‒ початкова кількість ядер; \(T\) ‒ період піврозпаду; \(t\) ‒ час розпаду.

За умовою \begin{gather*} t_1=t_2=t, \end{gather*} для першого нукліда: \(N_{01}\) ‒ початкова кількість ядер; залишиться \(N_1=\frac{N_{01}}{8};\)
для другого нукліда: \(N_{02}\) ‒ початкова кількість ядер; залишиться \(N_2=\frac{N_{02}}{4}.\)

Запишімо закон піврозпаду для кожного нукліда й розв’яжемо систему рівнянь:

Відповідь: 1,5.

ТЕМА: Механіка. Основи кінематики. Рівномірний і рівноприскорений рухи.

Завдання скеровано на перевірку знання і розуміння кінематичного рівняння для координати, що описує прямолінійний рівноприскорений рух.

Запишімо рівняння для прямолінійного рівноприскореного руху тіла в загальному вигляді: $$ x=x_0+v_0t+\frac{at^2}{2}, $$ де \(x\) ‒ кінцева координата тіла, \(x_0\) ‒ початкова координата тіла, \(v_0\) ‒ модуль початкової швидкості руху тіла, \(a\) ‒ модуль прискорення руху тіла, \(t\) ‒ час руху тіла.

Підставмо всі значення відповідних величин з умови в це рівняння:

Відповідь: A.

ТЕМА: Механіка. Основи динаміки. Вага тіла. Невагомість.

Завдання скеровано на перевірку знання і розуміння стану невагомості.

Стан тіла, за якого вага тіла дорівнює нулю, називають станом невагомості.

У стані невагомості на тіло діє лише сила тяжіння (тіло вільно падає), і навпаки: якщо тіло рухається тільки під дією сили тяжіння, воно перебуває в стані невагомості.

Проаналізуймо стан запропонованих в умові рухомих об’єктів.

Якщо діти підстрибнули, відірвалися від землі, то вони не тиснуть на опору (на землю), а отже, їхня вага дорівнюватиме нулю. Цієї миті діти перебувають у стані невагомості. Також уважатимемо, що на дітей діє тільки сила тяжіння, опором повітря можна в цій ситуації знехтувати, настільки він незначний.

Підлітки у ліфті тиснуть на опору ‒ на підлогу ліфта, отже, вага не дорівнює нулю. Цей стан не є станом невагомості. Це правильна відповідь.

За умовою завдання повітря з трубки Ньютона відкачано. Падіння тіл у безповітряному просторі називають вільним, тобто це падіння лише під дією сили тяжіння. Отже, тіла у трубці ‒ у стані невагомості.

На космонавта у відкритому космосі, як зображено на фото, діє сила тяжіння, але ні опори, ні підвісу немає, тому вага космонавта дорівнює нулю ‒ стан невагомості.

Відповідь: Б.

ТЕМА: Механіка. Закони збереження в механіці. Кінетична і потенціальна енергія.

Завдання скеровано на перевірку знання і розуміння закону збереження механічної енергії, а також уміння застосовувати його в конкретних ситуаціях.

Суму кінетичної \(E_k\) і потенціальної \(E_p\) енергій системи називають повною механічною енергією \(E\) системи тіл: $$ E=E_p+E_k. $$

У замкненій системі тіл, які взаємодіють лише консервативними силами, повна механічна енергія залишається незмінною (зберігається):

Відповідно до умови завдання запишімо вирази, які визначають кінетичну і потенціальну енергії до і після маневру.

Отже, повна механічна енергія літака на початку становить \(E_0.\) Якщо кінетична енергія дорівнює потенціальній, то $$ E_{k0}=E_{p0}=\frac{E_0}{2}. $$

Умова, що потенціальна енергія літака на поверхні Землі дорівнює нулю, означає, що Землю вибрано як нульовий рівень.

Після маневру швидкість \(v\) літака за модулем зменшилася вдвічі, тоді кінетична енергія \(E_k\) зменшиться вчетверо:

Висота ж літака над поверхнею Землі збільшилася вдвічі, тож і потенціальна енергія \(E_p\) збільшиться вдвічі:

Тоді повна енергія \(E\) літака після маневру:

Закон збереження повної механічної енергії передбачає перетворення кінетичної енергії на потенціальну й навпаки. Однак досвід доводить, що водночас повна механічна енергія не зберігається.

Річ у тім, що закон збереження повної механічної енергії виконується тільки тоді, коли в системі немає тертя. Однак у природі не існує рухів без тертя.

Енергія нікуди не зникає і нізвідки не з’являється: вона лише перетворюється з одного виду на інший, передається від одного тіла до іншого.

Відповідь: B.

ТЕМА: Молекулярна фізика і термодинаміка. Основи молекулярно-кінетичної теорії. Середня квадратична швидкість теплового руху молекул. Ізопроцеси в газах.

Завдання скеровано на перевірку знання і розуміння ізопроцесів у газі, а також уміння визначати зміну характеристик ідеального газу під час переходу його з одного стану в інший.

Відповідно до графіка абсолютна температура \(T\) ідеального газу знижується, а тиск \(p\) залишається сталим, отже, з газом відбувається ізобарний процес:

Як випливає із закону Ґей-Люссака, за незмінного тиску об’єм \(V\) газу певної маси прямо пропорційний його температурі: $$ V=\mathrm{const}\cdot T. $$

Отже, якщо за умовою абсолютна температура газу знизиться, то і його об’єм зменшиться.

Щодо середньої квадратичної швидкості теплового руху молекул.

Квадратний корінь із середнього квадрата швидкості називають середньою квадратичною швидкістю руху молекул \((\overline{v}_\text{кв}):\) $$ \overline{v}_\text{кв}=\sqrt{\overline{v^2}}. $$ (Середній квадрат швидкості \((\overline{v^2}):\) $$ \overline{v^2}=\frac{v_1^1+v_2^2+\text{...}+v_N^2}{N}, $$ де \(N\) ‒ кількість молекул; \(v_1\), \(v_2\), ... \(v_N\) ‒ швидкості руху окремих молекул.)

Середній квадрат швидкості \(\overline{v^2}\) можна визначити з формули для середньої кінетичної енергії \(\overline{E}_k\) поступального руху молекул ідеального газу (кінетична енергія поступального руху, що в середньому припадає на одну молекулу масою \(m_0\)): $$ \overline{E}_k=\frac{m_0\overline{v^2}}{2}. $$

Залежність середньої кінетичної енергії поступального руху молекул ідеального газу від абсолютної температури \(T\) визначмо за формулою: $$ \overline{E}_k=\frac 32kT, $$ де \(k\) ‒ стала Больцмана.

Прирівняймо обидва вирази для визначення середньої кінетичної енергії поступального руху молекул ідеального газу: $$ \frac{m_0\overline{v^2}}{2}=\frac 32kT, $$ звідки $$ \overline{v^2}=\frac{3kT}{m_0}, $$ або $$ \overline{v}_\text{кв}=\sqrt{\overline{v^2}}=\sqrt{\frac{3kT}{m_0}}. $$

Проаналізуймо зміну \(\overline{v}_\text{кв}\) під час переходу газу зі стану \(1\) у стан \(2:\)
середня квадратична швидкість \(\overline{v}_\text{кв}\) руху молекул газу прямо пропорційна його абсолютній температурі \(T\), за графіком з умови температура знижується, отже, і середня квадратична швидкість теж зменшується.

Відповідь: Б.